您的位置:中国赌城 > 中国制造 > 我国首台脉冲型散裂中子源建成,超级显微镜

我国首台脉冲型散裂中子源建成,超级显微镜

发布时间:2019-07-18 04:32编辑:中国制造浏览(110)

    图片 1

    中国化工仪器网 行业动态】日前,位于广东东莞的国家大科学工程——中国散裂中子源打靶成功,获得中子束流,这标志着CSNS主体工程顺利完工,进入试运行阶段。中国散裂中子源是什么?它长啥样?有什么用?安不安全?记者奔赴现场,为您一一揭晓。中国散裂中子源园区鸟瞰图。中国散裂中子源供图 一问:是什么? 就像一台“超级显微镜”,可以研究物质的微观结构 “当一束中子入射到研究样品上时,与它的原子核或磁矩发生相互作用,产生散射。通过测量散射的中子能量和动量的变化,就可以研究在原子、分子尺度上各种物质的微观结构和运动规律,告诉人们原子和分子的位置及其运动状态。这种研究手段就叫中子散射技术。”中国散裂中子源工程总指挥、工程经理、中科院院士陈和生说。 1932年,英国物理学家查德威克发现了中子,人们开始认识到原子核是由带正电的质子和不带电的中子构成的。中子的发现及应用是20世纪重要的科技成就之一。由于中子不带电,具有磁矩,且穿透性强,能分辨轻元素、同位素和近邻元素,具有非破坏性,这些特性使得中子散射成为研究物质结构和动力学性质的理想探针之一,和X射线一样,是多学科研究中探测物质微观结构和原子运动的强有力手段。 陈和生进一步解释说:“打个比方,假设面前有一张看不见的网,我们不断地扔出很多玻璃弹珠,弹珠有的穿网而过,有的则打在网上,弹向不同的角度。如果把这些弹珠的运动轨迹记录下来,就能大致推测出网的形状;如果弹珠发得够多、够密、够强,就能把这张网地描绘出来,甚至推断其材质。” 然而,进行中子散射的研究,需要用中子做探针,就必须有一个适当的中子源,先进的中子源是中子科学研究的基础。如何能获得产生高通量中子的中子源,一直是科学家不断努力追求的目标。 高通量的中子源包括反应堆中子源和散裂中子源。核反应堆是一种稳定连续的中子源,在中子科学研究中发挥了巨大的作用。但由于反应堆散热技术的限制,反应堆中子通量在上世纪六七十年代就达到了饱和。随着科技的进步,相应的研究体系如薄膜、纳米团簇、生物大分子和蛋白质等,尺度分布更大,获得数量在克量级的样品更为困难。因此,小样品的快速、高分辨的中子散射测量迫切需要新一代通量更高、波段更宽的中子源,散裂中子源应运而生。 “它是用来自大型加速器的高能质子轰击重金属靶,引起金属原子的散裂反应,释放出大量的中子。这些中子形成非常强的中子束流,中子慢化(中子与介质原子核碰撞,引起中子能量减少而减速的现象)后与样品发生散射,后由中子散射谱仪接收,我们科研人员就根据这些中子散射的数据分析出被观测物体的微观特征。通俗点说,散裂中子源就像一台‘超级显微镜’,可以研究DNA、结晶材料、聚合物等物质的微观结构。”陈和生说。 二问:长啥样? 异常庞大,建在13米到18米深的地下 由于散裂中子源的这些独特性能,以及国际社会对安全评估要求越来越严,发达国家普遍利用散裂中子源进行中子散射研究。目前,世界上正在运行脉冲式散裂中子源的国家主要有英国、美国和日本。中国散裂中子源建成后将成为发展中国家的台散裂中子源,跻身世界四大脉冲散裂中子源行列,从而大幅提升我国基础研究和高技术的水平。 虽然中子如此微小,但产生强中子束的散裂中子源却是异常庞大的装置,是各种高、精、尖设备组成的整体。 记者在现场看到,CSNS隧道内装置建在13米到18米深的地下。主要建设内容包括1台束流能量为80兆电子伏特的负氢离子直线加速器、1台束流能量为16亿电子伏特的快循环质子同步加速器、2条束流输运线、1个靶站和3台谱仪,以及相应的配套设施和土建工程。 陈和生说:“CSNS一期工程中子谱仪数量为3台,将来多可建到20台。目前束流功率为100千瓦,我们还预留了进一步提高束流功率到500千瓦和增修第二靶站的升级空间。” 首批建设的3台谱仪为通用粉末衍射仪、多功能反射仪、小角散射仪。 “通用粉末衍射仪主要用于研究物质的晶体结构和磁结构;多功能反射仪通过分析来自样品的反射中子,研究物质的表面和界面结构;小角散射仪用于探测物质体系在1—100纳米尺度内的微观和介观(介于宏观与微观之间的一种体系)结构。”陈和生说。 三问:有啥用? 可使高铁和飞机更安全舒适,能用于肿瘤的放射性治疗研究 散裂中子源可以产生强脉冲中子,并通过测量中子束流在样品的散射反应过程,探测样品原子核的位置和运动状况,因此,在材料科学技术、生命科学、物理、化学化工、资源环境、新能源等诸多领域都具有广泛应用前景。 陈和生举了个例子。“1998年6月,德国一辆城际快车意外出轨,后查出事故元凶竟然是老化的车轮。车轮是在英国散裂中子源上检测的,发现其中有内部裂痕。” 事实上,无论是高铁的轮轨,还是飞机的涡轮、机翼,里面都有应力,它决定了高铁和飞机使用寿命和安全性。但是,这个应力看不到、摸不着,对它的研究成了避免灾难发生的关键。现在科学家已经可以在散裂中子源上测量研究轮轨和机翼的剩余应力,优化机械加工工艺,使高铁和飞机变得更安全舒适。 陈和生说:“散裂中子源技术在生物、生命、医药等研究领域也发挥着X射线无法替代的作用,并与同步辐射光源互为补充,成为基础科学研究和新材料研发的重要平台之一。例如,散裂中子源的质子和中子可用于肿瘤的放射性治疗研究,已在许多发达国家得到应用。还有,在新型清洁能源可燃冰的开发利用中,散裂中子源高压下的中子衍射技术可用来研究可燃气体甲烷水合物的形成机制和稳定条件,其研究成果将为安全、地开采和利用可燃冰提供科学依据。” CSNS装置的建设也将大大加强国内中子散射科学和应用界的国际交流和合作,为我国的中子散射技术和应用在国际前沿领域占据一席之地提供良好的机遇。 “CSNS建设过程中,质子加速器、靶站、中子谱仪的建设,都涉及大量具有战略意义的高技术,这些技术难关需要中国高水平的科研力量携手攻克。所以,该项目的建设将吸引大批的科学家前来进行科研活动,建成后将吸引国内外逾600名专家学者汇聚东莞搞研究。”中国科学院物理研究所党委书记孙牧说。 四问:安全吗? 在附近居住一年,接受的辐射量仅相当于乘一次长途飞机 如此庞大的科学装置,它的安全性如何呢?会不会对周围的环境产生污染? 陈和生说:“CSNS基于新一代加速器,不需要核材料,其动力来自电能,辐射严格控制在环保安全范围。我们做过测算,在散裂中子源附近居住1年,居民受到的辐射量仅相当于乘1次长途飞机。” 据介绍,CSNS附近建有监控站,随时监控辐射情况。《散裂中子源项目环境影响报告书》也提出了事故应急预案。由于散裂中子源是射线装置,只要断电停机,中子源产生的主要辐射立即消失。 另外,散裂中子源与反应堆类的核装置完全不同,不需要核原料,没有链式核反应,加速器运行时会有少量的粒子丢失而产生次级粒子,如:χ射线、γ射线和中子等,它们都具有放射性,通称为瞬时辐射。 “这些放射性物质,比反应堆中子源低5—6个量级,对环境的影响要小得多,而且这些放射性物质将存放在国家指定的废物库中。”中国散裂中子源工程副经理陈元柏说。 “只要加速器一停机,造成环境影响的主要辐射源即消失,可以说像水龙头一样安全可靠。加速器是通过电子器件自动控制起停的,一旦出现故障,可以在几毫秒内关闭加速器。倘若发生地震等自然灾害,散裂中子源机器便停止运转,辐射场立即消失。经反复论证研究,散裂中子源是比较清洁的射线装置。”陈和生说。 编辑点评 散裂中子源在材料科学技术、生命科学、物理、化学化工、资源环境、新能源等诸多领域都具有广泛应用前景。CSNS装置的建设也将大大加强国内中子散射科学和应用界的国际交流和合作,为我国的中子散射技术和应用在国际前沿领域占据一席之地提供良好的机遇。 (原标题:“超级显微镜”能“看”清什么)

    日前,建在广东东莞的我国“十一五”国家重大科技基础设施——中国散裂中子源按期、高质量完成了全部工程建设任务,通过了中国科学院组织的工艺鉴定和验收。这是中国首台、世界第四台脉冲型散裂中子源,它的建成填补了国内脉冲中子应用领域的空白,为我国材料科学技术、生命科学、资源环境、新能源等方面的基础研究和高新技术开发提供了强有力的研究手段。

    到目前为止,世界上已经建成的散裂中子源共有4台:美国、日本、英国和中国各有1台。作为世界四大脉冲散裂中子源之一,中国散裂中子源具有很强的国际竞争力,可长期满足国内需求。中国散裂中子源自建成以来,受到了海外科技界的高度评价。

    散裂中子源可以产生强脉冲中子,并通过测量中子束流在样品的散射反应过程,探测样品原子核的位置和运动状况,因此,在材料科学技术、生命科学、物理、化学化工、资源环境、新能源等诸多领域都具有广泛应用前景。例如,1998年6月,德国一辆城际快车意外出轨,最后查出事故元凶竟然是老化的车轮。车轮是在英国散裂中子源上检测的,发现其中有内部裂痕。事实上,无论是高铁的轮轨,还是飞机的涡轮、机翼,里面都有应力,它决定了高铁和飞机使用寿命和安全性。但是,这个应力看不到、摸不着,对它的研究成了避免灾难发生的关键。“现在科学家已经可以在散裂中子源上测量研究轮轨和机翼的剩余应力,优化机械加工工艺,使高铁和飞机变得更安全舒适。”陈和生说。 散裂中子源技术的应用非常广泛。 例如,在新型清洁能源可燃冰的开发利用中,散裂中子源高压下的中子衍射技术可用来研究可燃气体甲烷水合物的形成机制和稳定条件,其研究成果将为安全、高效地开采和利用可燃冰提供科学依据。 中子散射是研究锂电池的利器。大幅度地提高锂电池的性能是电动汽车推广的关键,可以将汽车锂电池连同模拟充放电过程的设备放入中子散射谱仪,实时原位测量在几百次充放电的过程中,锂电池各个部分性能的变化,为改进和优化锂电池的设计提供关键数据。国外的散裂中子源都建设了这样专门研究锂电池的谱仪,且严加保密。 中子散射还可以对文物进行无损研究。比如想知道我国南北朝时期的一尊佛像的制造工艺,却无法把文物大卸八块进行分析。利用中子成像技术,可以看到佛像的中间有一根木制“主梁”。这是因为中子散射对轻的元素非常敏感,中间的棍子是木头做的,也就是碳氢化合物,中子可以轻易地“看到”它。由此,科学家能清晰地了解这尊佛像的制造工艺:先在中间立一根木梁,在木梁周围缠上“支撑架”,最终用黏土制成。

    在现代科学诞生之前,人类是用肉眼观察世界。后来,科学家发明了光学显微镜,我们第一次看到了肉眼无法直接观察到的微观世界。而电子显微镜比光学显微镜的分辨率还要高1000倍左右,可以看到更小的病毒。人类对微观世界的探索随着技术手段的提高,越来越走向深入,“超级显微镜”散裂中子源应运而生。

    图片 2

    实现这一目标主要从以下几个方面着手:第一,充分发挥一期三台谱仪,即通用粉末衍射仪、小角散射仪和多功能反射仪在材料科学、生命科学、凝聚态物理和化学等领域的作用,为广大用户提供国际先进的研究平台。第二,中国散裂中子源下一阶段谱仪的选择及其性能指标应认真听取用户的意见,同时吸取国际先进经验,突出谱仪的特色和优势,特别应结合华南地区,尤其是广东、香港等地发展战略需求,培养和扩大中子散射用户群体。第三,与用户单位合作,利用各方面资源,积极推动用户谱仪的建设。第四,中国散裂中子源靶站500kW升级将使中子通量水平提升5倍。中子通量增加后,可开展更小样品的研究以及更短时间尺度的实时研究,并适度提升大部分谱仪的分辨率,大幅缩短高分辨模式实验的时间,从而大幅提升中子散射谱仪的性能和研究能力。

    像一台超级显微镜,可以研究DNA等物质的微观结构

    CSNS的建成,填补了国内脉冲中子应用领域的空白,为材料科学技术、物理、化学化工、生命科学、资源环境和新能源等诸多领域的基础研究和高新技术开发提供了强有力的研究平台。它的投入运行,对我国探索前沿科学问题、攻克产业关键核心技术等具有重要意义。

    中国散裂中子源于2011年9月开工建设,工期6.5年,总投资约23亿元。其主要建设内容包括一台直线加速器、一台快循环同步加速器、一个靶站,以及一期三台供中子散射实验用的中子谱仪,是各种高、精、尖设备组成的整体。 1932年,英国物理学家查德威克发现了中子,人们开始认识到原子核是由带正电的质子和不带电的中子构成的。中子的发现及应用是20世纪最重要的科技成就之一。由于中子不带电,具有磁矩,且穿透性强,能分辨轻元素、同位素和近邻元素,具有非破坏性,这些特性使得中子散射成为研究物质结构和动力学性质的理想探针之一,和X射线一样,是多学科研究中探测物质微观结构和原子运动的强有力手段。 那么,什么是中子散射?它又是怎么探测到物质微观结构和原子运动的? 中国散裂中子源工程总指挥、工程经理、中科院院士陈和生介绍:“当一束中子入射到研究样品上时,与它的原子核或磁矩发生相互作用,产生散射。通过测量散射的中子能量和动量的变化,就可以研究在原子、分子尺度上各种物质的微观结构和运动规律,告诉人们原子和分子的位置及其运动状态。” 陈和生进一步解释说:“打个比方,假设面前有一张看不见的网,我们不断地扔出很多玻璃弹珠,弹珠有的穿网而过,有的则打在网上,弹向不同的角度。如果把这些弹珠的运动轨迹记录下来,就能大致推测出网的形状;如果弹珠发得够多、够密、够强,就能把这张网精确地描绘出来,甚至推断其材质。” 然而,进行中子散射的研究,需要用中子做探针,就必须有一个适当的中子源,先进的中子源是中子科学研究的基础。散裂中子源正好符合需求。 “散裂中子源是用来自大型加速器的高能质子轰击重金属靶,引起金属原子的散裂反应,释放出大量的中子。这些中子形成非常强的中子束流,中子慢化(中子与介质原子核碰撞,引起中子能量减少而减速的现象)后与样品发生散射,最后由中子散射谱仪接收,我们科研人员就根据这些中子散射的数据分析出被观测物体的微观特征。”陈和生说,“通俗点说,散裂中子源就像一台‘超级显微镜’,可以研究DNA、结晶材料、聚合物等物质的微观结构。”

    3月2日,继物理学家、诺贝尔奖获得者杨振宁到访后,位于广东东莞的中国散裂中子源基地又迎来了新一波参观的客人。中科院院士陈和生向来访的外国驻港领团、商会、媒体考察团一行详细介绍了粤港澳大湾区的首个国家重大科技基础设施——中国散裂中子源。

    在材料科学技术、生命科学、新能源等领域有广泛应用前景

    2000年7月,中国科学院在向国家科教领导小组提交的“中国高能物理和先进加速器发展目标”报告中提出建设中国散裂中子源的设想。2011年10月,CSNS装置奠基,2012年5月,工程土建动工。经过6年半的建设,2018年3月,CSNS按期、高质量完成了全部工程建设任务,并通过了中国科学院组织的工艺鉴定和验收。中国人从此拥有了自己的散裂中子源。

    图片 3

    “在氢动力汽车研发中,要实现氢气的稳定储存,方法之一就是用一种金属-有机框架材料把氢气吸进去,要用的时候再把氢气释放出来。而中子散射可以帮助科学家研究氢气存在金属的什么位置、什么情况下可以更好地释放。”陈和生告诉记者,这正是散裂中子源应用的一个具体案例。

    2017年8月,中国散裂中子源首次打靶成功并获得中子束流;2017年11月达到打靶束流功率的验收指标;2018年春节期间,科研人员继续进行紧张的调试运行。期间加速器运行稳定,束流功率和连续运行时间均创调束以来的新高,首期三台中子谱仪,即通用粉末衍射仪、小角散射仪和多功能反射仪,都顺利完成样品实验。通用粉末衍射仪已经完成了两个高水平的用户实验。 此次验收中,工艺鉴定验收专家委员会评价:中国散裂中子源性能全部达到或优于国家发改委批复的验收指标。装置整体设计科学合理,研制设备质量精良,调试速度快于国外的散裂中子源。靶站最高中子效率达到国际先进水平。 中国散裂中子源通过自主创新和集成创新,在加速器、靶站、谱仪方面取得了一系列重大技术成果。设备国产化率超过90%,显着提升了我国在磁铁、电源、探测器及电子学等领域相关产业技术水平和自主创新能力,使我国在强流质子加速器和中子散射领域实现了重大跨越,技术和综合性能进入国际同类装置先进行列。 陈和生说:“例如国内首次研制成功25Hz交流谐振励磁的大型二极和四极磁铁及电源,交流磁场精度达到同类装置国际领先水平;自主研制成功液氢慢化器,通过靶—慢化器—反射体紧凑耦合的物理和工程设计,保证靶站高中子效率,等等。” 中国散裂中子源建成后,将充分发挥一期三台谱仪在材料科学、生命科学、凝聚态物理和化学等领域的作用,为广大用户提供国际先进的研究平台,为我国的中子散射技术和应用在国际前沿领域占据一席之地提供良好的机遇。 同时,为了充分发挥装置作用,满足中子散射研究和应用用户迫切需求,专家委员会建议:中国散裂中子源应尽快达到设计指标,实现稳定运行。在装置通过验收后尽快启动二期工程立项,开始后续谱仪建设,进一步提升束流功率。

    2018年11月12日至14日,中国散裂中子源国际顾问委员会第10次评审会召开。来自英国卢瑟福·阿普尔顿实验室、日本J-PARC国家实验室等科研机构的国际知名专家,对装置的建设和调试给予了高度评价。

    设备国产化率超九成,靶站最高中子效率达到国际先进水平

    散裂中子源支撑的学科研究和应用领域众多,是目前国际上公认的、与大型光源互补并发挥着其无法取代作用的新一代科学研究和先进材料研发的主流大科学装置。中国散裂中子源的成功建设,也将为香港和澳门地区诸多学科的中子散射研究和应用提供重大发展机遇。散裂中子源落户东莞后,港澳地区的许多大学“近水楼台先得月”,已经开始吸引中子散射研究和应用的人才,建设相关的学科。香港城市大学和香港科技大学的主要领导先后访问了散裂中子源,讨论合作。香港城市大学与散裂中子源、东莞理工学院合作,正在建设多物理谱仪。中国科学院和香港裘槎基金从2015年开始支持散裂中子源和香港城市大学建立中子散射联合实验室,加速推动新增谱仪和其他中子散射交叉学科应用型装置的建设。

    中子散射是探索物质微观结构的有力手段之一。中子和光一样,具有波粒二象性,既有波的性质,可以反射、折射、衍射、吸收,也具有粒子的性质,可以弹射、散射等。中子由于不带电,不易受到带电质子和电子的阻碍,能比其他探测方式更为轻松地穿透物质。中子束打到被研究的样品身上,大多数会不受任何阻碍地穿过样品,但有些中子会与研究对象的原子核发生相互作用,其运动方向也会发生改变,向四周散射。测量中子散射的轨迹及其能量和动量的变化,就可以精确地反推出物质的结构。

    国际著名科学期刊《自然》在中国散裂中子源建设即将完工前发表文章。文章引用中科院外籍院士、世界高温高压研究领域杰出科学家毛河光的话说:“中国散裂中子源中的仪器对地球、环境和能源科技,以及物理、化学、材料科学而言将是极为有价值的。”“我非常激动,整个中子研究界也非常激动。”

    国家验收委员会专家认为,CSNS的性能全部达到或优于批复的验收指标。装置整体设计科学合理,研制设备质量精良,靶站最高中子效率和三台谱仪综合性能达到国际先进水平。通过自主创新和集成创新,CSNS在加速器、靶站、谱仪方面取得了一系列重大技术成果,显著提升了我国在高功率散裂靶、磁铁、电源、探测器及电子学等领域的产业技术水平和自主创新能力,使我国在强流质子加速器和中子散射领域实现了重大跨越。

    探秘微观 深入认知世界

    本文由中国赌城发布于中国制造,转载请注明出处:我国首台脉冲型散裂中子源建成,超级显微镜

    关键词: 中国赌城